УНИКАЛЬНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДНОГО НАНОКОМПОЗИТА

Салихова Е.А.

Ключевые слова: наноиндустрия, нанокомпозит, наноматериалы, нанотехнология, Углеродный нанокомпозит


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Салихова Е.А. Уникальные физико-механические свойства углеродного нанокомпозита // Современные научные исследования и инновации. 2011. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2011/10/2981 (дата обращения: 28.09.2017).

В последнее время термин “нанотехнология” стал очень популярным и даже почти обыденным. Развитие современной электроники, медицины и других областей науки и техники идет по пути постоянного уменьшения размеров используемых устройств. Однако классические методы их производства подходят к своему технологическому и экономическому пределу. Размеры устройства уменьшаются незначительно, но экономические затраты резко возрастают.

Бурный рост наноиндустрии в области производства наноматериалов связан с их уникальными физико-механическими свойствами, которые были рассмотрены в статье [1].

Сочетания характеристик и свойств материалов часто достигаются за счет наличия у вещества естественно или искусственно упорядоченной или неупорядоченной системы базовых элементов нанометровых характерных размеров.

В настоящее время известно (в первую очередь для металлов), что уменьшение размера кристаллических блоков ниже некоторого порогового значения приводит к значительному изменению физических свойств материала.

Нанокристаллические материалы обладают высокой прочностью и твердостью, имеют более высокую вязкость разрушения и повышенную износостойкость.

Наибольшее число работ посвящено исследованию механических свойств наноматериалов. И это понятно, так как первоначально интерес к наноструктурным материалам был связан именно с их необычными механическими свойствами. Особенно привлекает исследователей и разработчиков возможность получения в наноструктурных материалах сочетания высоких прочностных и пластических свойств [2].

Традиционные методы упрочнения приводят обычно к снижению пластичности материала: чем выше прочность, тем ниже пластичность (рисунк 1).

Соотношение  между прочностью и пластичностью для сталей Рисунок 1. Соотношение  между прочностью и пластичностью для сталей [3]

В то же время вследствие специфических механизмов деформации, материалы с нанокристаллической  структурой, полученные,  в  частности  равноканальным  угловым прессованием и последующей термообработкой, обладают одновременно высокими прочностью и пластичностью [3]. Губокой деформацией при азотной температуре и последующим кратковременным отжигом получена медь с бимодальным распределением размеров зерен, имеющая предел текучести 350 МПа и равномерное удлинение до разрушения около 30% [4]. Значительный интерес представляет высокопрочный наноструктурный титан, в частности для использования в качестве имплантатов в медицине.

Качество многих привычных материалов может быть повышено за счет использования наночастиц. Нанотехнологии позволят создавать более легкие, тонкие и прочные композитные материалы.

В 1991 году Сумио Иидзима в Японии обнаружили длинные углеродные цилиндры, получившие название нанотрубок [5]. Это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. Они в 50-100 раз прочнее стали и имеют в 6 раз меньшую плотность.

Разработки новых наноматериалов за последние года вышли на промышленный уровень развития. Некоторые страны вкладывают сотни миллионов долларов в разработку исследований свойств наноматериалов, способов получения и в изготовление конструкций с применением наноструктурных материалов.

Нанокомпозиты характеризуются гетерогенной структурой, образованной практически не взаимодействующими фазами со средними линейными размерами структурных элементов менее 100 нм [6]. Такими структурными элементами являются аморфная матрица и включения нанокристаллической фазы показанная на рисунке 2.

Схематическое изображение строения нанокомпозитов Рисунок 2. Схематическое изображение строения нанокомпозитов [6]

В конце 90-х годов появились исследования полимерных композитов с использованием углеродных нанотрубок [7]. Главным в исследованиях является, что даже небольшие добавки углеродных нанотрубок (1-2 %, а иногда и на уровне 0,1-0,3 %) увеличивают модуль упругости и разрывную прочность полимера, теплопроводность и электропроводность материала [8].

Плотность нанотрубок в пять раз меньше, чем у стали, а прочность в десятки раз больше. Поэтому, чтобы сделать полимерные материалы более прочными, не увеличивая их веса, химики решили включать в их состав углеродные нанотрубки. Если между соседними волокнами полимерного материала поместить нанотрубку, связав её с ними углеводородными цепочками, то прочность данного участка материала приблизиться к прочности нанотрубки (рисунок 3). Таким образом, добавка нанотрубок в 0,6% даёт 4-х кратное увеличение прочности полимера [9].

Материалы из углеродных нанотрубок обладают нестандартными электрическими и прочностными свойствами, а также вязкостью, что делает их потенциально применимыми в самых различных областях. Эти уникальные и многообещающие свойства привлекли внимание исследователей всего мира, что повлекло появление как научных, так и коммерческих проектов.

Волокнистый композит Рисунок 3. Волокнистый композит

Углеродный нанокомпозит получают по одностадийной технологии в результате одновременного формирования наночастиц углерода [10] и связывающей их углеродной матрицы с образованием нанокомпозита системы углерод-углерод в одном и том же реакторе. На входе в химический реактор поступает углеродсодержащее сырье, а на выходе из реактора получаем готовую товарную продукцию. Этим технология выгодно отличается от традиционной технологии нанокомпозитов, где наночастицы получают в одном месте по определенной технологии, а консолидируют их в другом месте путем введения наноразмерного наполнителя в матрицу по совсем другой технологии.

Таблица 1. Технические характеристики углеродного нанокомпозита

Показатель

Значение

Плотность 1,8 г/см3
Предел прочности прирастяженииизгибе

сжатии

100  Мпа200  Мпа

500  МПа

Микротвердость 1000  МПа
Модуль упругости 23  ГПа
Коэффициент Пуассона 0,273
Ударная вязкость 13  кДж/м2

Уникальные свойства углеродного нанокомпозита, представленные в таблице 1, создали возможность для разработки изделий современного машиностроения и медицинской техники.

По прочностным показателям углеродный нанокомпозит в 3 и более раз превосходит лучшие марки углеродных материалов традиционной технологии. Он хорошо обрабатывается механически. Высокая механическая прочность в сочетании с наноразмерными дискретными элементами структуры позволяет изготавливать из него детали сложной геометрической формы с острыми кромками, полированными до высокого класса чистоты поверхности.

Зависимость предела прочности от температуры Рисунок 4. Зависимость предела прочности от температуры, 1 – изгиб,         2 – растяжение.

Углеродный нанокомпозит до температуры 2000 0С не теряет своих физико-механических свойств, зависимость предела прочности от температуры показана на рисунке 4. Углеродный нанокомпозит превосходит вольфрам по высокотемпературной удельной прочности, сравнение вольфрама и углеродного нанокомпозита показано на рисунке 5.

 1 - углеродный нанокомпозит, 2 - вольфрамРисунок 5. 1 – углеродный нанокомпозит, 2 – вольфрам.

Углеродный нанокомпозит стоек в среде щелочей, кислот, хлорорганических соединений, расплавов цветных металлов, фторидов щелочных металлов.

По высокотемпературной химической стойкости в активных средах с окислительным потенциалом углеродный нанокомпозит до 300 раз превосходит лучшие марки углеродных материалов конструкционного назначения (рисунок 6).

В настоящее время многие наноматериалы уже доступны на рынке и широко применяются в микроэлектронике и атомной энергетике, в качестве сверхпрочных конструкционных материалов и износостойких покрытий. Из нанотрубок можно делать конструкции предельно высокой прочности: элементы турбин, несущие конструкции мостов, летательных аппаратов. Применение и разнообразие наноматериалов было представлено в моей статье [1].

Зависимость скорость окисления на воздухе от температуры

Рисунок 6. Зависимость скорость окисления на воздухе от температуры,      1 – углеродный нанокомпозит, 2 – углеродные материалы традиционной технологии

Нанотехнологии играют главную роль для развития науки и общества. Поэтому необходимо определить стратегию экономического развития нанотехнологий на разных уровнях и обеспечить организацию производства наноматериалов, создать бизнес-планы с хорошим производственным планом и финансовым анализом. Разработки должны обладать оптимальным решением по их коммерциализации.


Библиографический список
  1. Губкина Е.А. Физико-механические свойства моделей элементов конструкций из наноматериалов//Четвертые Уткинские чтения:Международной научн.технич. конф. Труды первой научн.-технич.конф.молодых специалистов./БГТУ, ОАО «КБСМ».-СПб.;2009. «Военмех.Весник БГТУ», №7, с.61-65.
  2. Тихоновский М.А., Шепелев А.Г., Пантеенко Л.В. Наноматериалы: анализ тенденций развития на основе данных об информационных потоках. Журнал вопросы атомной науки и техники. 2003. Серия: № вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (13), с.103-110.
  3. Лякишев Н.П. Наноструктурные материалы – новое направление развития конструкторских материалов//Весник РАН. 2003. Т. 73, № 5, с. 422-425.
  4. Y. Wang, M. Chen, F. Zhou ,E. Ma. Нigh tensile ductility in nanostructured metal // Nature, 2002, v. 419, p .912-915.
  5. Харрис П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы ХХI века./Перевод с английского языка и с дополнением Л.А.Чернозатонского.-Москва:Техносфера,2003.-336с.
  6. Скороход В.В., Рагуля А.В. Наноструктурная керамика и нанокомпозиты: достижения и перспективы //Прогресивні матеріали і технології: У 2-х т. Київ: «Академперіодика», 2003, т. 2, с. 7–34.
  7. Harris P.J.F. Carbon nanotube composites. Int. Mater. Rev. 2004. V. 49. № 1. Р. 31–43
  8. Coleman J.N., Khan U., Blau W.J., Gun’ko Y.K. Small but strong: A review of the mechanical properties of carbon nanotube–polymer composites. Carbon. 2006. V. 44. № 9. Р. 1624–1652
  9. Богданов К.Ю., “Что могут нанотехнологии”// Изд-во Просвещение, 2009.- 96c.
  10. http://nanoprom.info/tehno/ (дата обращения: 04.09.2011).


Все статьи автора «Katerina-S»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: